[논문 리뷰] The UV luminosity functions of Bright z>8 Galaxies: Determination from ~0.41 deg2 of HST Observations along ~sim 300 independent sightlines

Nicha Leethochawalit, Guido Roberts-Borsani외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 슈퍼보르지(SuperBoRG) 설문 조사에서 얻은 약 300개의 독립 시선을 통해 허블 우주望遠鏡(Hubble Space Telescope, HST) 순수병렬 관측을 통해 z>8에서 밝은 은하의 정지 프레임 UV 빛세기 함수(UVLF)를 유도한다. UVLF의 밝은 끝부분은 이전의 레거시 분야 결과보다 약 1 덴 더 높은 것으로 나타났으며, 이는 활성은하핵(AGN) 기여 또는 고적색편이 은하의 먼지 감소와 관련이 있을 수 있다. 이 두 가지 설명 모두 초기 은하 진화 이론 모델과 일치한다.

ABSTRACT

We determine the bright end of the rest-frame UV luminosity function (UVLF) at $z=8-10$ by selecting bright $z\gtrsim 8$ photometric candidates from the largest systematic compilation of HST (pure-)parallel observations to date, the Super-Brightest-of-Reionizing-Galaxies (SuperBoRG) data set. The data set includes $\sim300$ independent sightlines from WFC3 observations, totalling $800-1300$ arcmin$^2$ (depending on redshift). We identify 31 $z\gtrsim8$ candidates via colour selection and photo-$z$ analysis with observed magnitude ($24.1< H_{160} <26.6$) and $1σ$ range probability of $58-95\%$ of being true high-z galaxies. Following detailed completeness and source recovery simulations, as well as modelling of interloper contamination, we derive rest-frame UVLFs at $z=8-10$ down to $M_{UV}\simeq-23$. We find that the bright end of the galaxy luminosity function can be described both by a Schechter and by a double power-law function, with our space-based large area determination showing some tentative discrepancies with the luminosity functions derived from ground-based observations at the same redshifts. We identify two possible explanations. The first is that the UVLF includes a substantial contribution from AGNs at magnitudes $M_{UV}<-22$. The UVLF we derive at $z=8$ is consistent with no evolution of the bright end from $z=6-7$ UVLFs that include AGNs. An alternative (and non-exclusive) possibility is that the dust content of the observed galaxies decreases with redshift, thereby countering the naturally expected decrease in the UV luminosity functions because of a decreased star formation rate with increasing redshift. Both scenarios raise interesting prospects to further understand galaxy formation in extreme objects during the epoch of reionisation.

연구 동기 및 목표

• 최근까지 가장 큰 HST 순수병렬 설문 조사 자료를 사용하여 z=8–10에서 밝은 끝부분 UV 빛세기 함수(UVLF)를 결정하기 위해.
• 넓은 다중시선 설문 조사에서 고적색편이 은하 후보를 식별할 때의 천체적 변동성과 오염 영향을 평가하기 위해.
• 관측된 UVLF의 밝은 끝부분 초과 현상이 AGN 기여 또는 고적색편이 은하에서 먼지 감소로 인한 것인지 평가하기 위해.
• 유도된 UVLF를 기존의 셰클러(Schechter) 및 이중 거듭제곱함수(DPL) 기능 형태와 비교하고, 지상 및 우주 기반 설문 조사와 비교하기 위해.
• 시뮬레이션과 광학적 적색편이 분석을 통해 소스 완전성과 오염자 혼합에 대한 강력한 통계적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 슈퍼보르지(SuperBoRG) 설문 조사에서 확보한 약 0.41 deg²의 HST WFC3 순수병렬 관측 자료를 사용하여, 약 300개의 독립 시선을 통해 800–1300 arcmin²를 커버한다.
• 색상 탈락 선택(예: Y105 탈락) 및 신호 대 잡음 비율 컷을 통해 z≳8 후보를 식별하고, 이후 광학적 적색편이(photo-z) 분 析을 수행한다.
• 검출 효율을 정량화하기 위해 소스 복원 및 완전성 시뮬레이션을 수행하였으며, 특히 밝은 끝부분(M_UV ≲ -21.5)에서의 효율을 중점적으로 다룬다.
• 스펙트럼 에너지 분포(SED) 피팅과 천체 밀도 가정을 사용하여 저적색편이 은하 및 냉각된 왜소은하로부터의 오염자 혼합을 모델링한다.
• 관측된 UVLF에 대해 셰클러 및 이중 거듭제곱함수(DPL) 함수를 적합하여 적합도와 기능 형태의 안정성을 평가한다.
• 지상 기반(예: COSMOS/VIDEO) 및 우주 기반(예: 레거시 분야) 설문 조사의 문헌 UVLF와 비교하여 천체적 변동성과 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=8–10에서 밝은 끝부분 UVLF는 이전의 레거시 분야 추정치보다 유의미하게 높은가? 만약 그렇다면, 이는 천체적 변동성 때문인가, 아니면 본질적인 천체물리적 효과 때문인가?
• RQ2 M_UV < -22 mag에서 AGN이 관측된 UVLF에 얼마나 기여하는가? 이는 z=6–7에서의 진화가 없는 현상과 일치하는가?
• RQ3 z≥8에서 고적색편이 은하의 먼지 함량 감소가 관측된 UVLF의 형태와 정규화를 설명할 수 있는가?
• RQ4 셰클러 및 이중 거듭제곱함수(DPL) 함수가 관측된 UVLF에 대해 동일하게 타당한 적합을 제공하는가? 이는 기초가 되는 은하 집단에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 완전성과 오염자 혼합은 넓은 영역, 얕은 HST 병렬 설문 조사에서 UVLF 측정의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• z=8–10에서 유도된 UVLF는 이전의 레거시 분야 추정치보다 밝은 끝부분(M_UV ≲ -22)에서 약 1 덴 더 높으며, 이는 밝은 은하의 수밀도가 현저하게 증가했음을 시사한다.
• AGN 기여를 포함하면 z=6–7에서의 진화가 없음을 고려할 때 UVLF는 일관되며, 이는 z>8에서 AGN이 밝은 끝부분을 지배한다는 가설을 지지한다.
• 저먼지-금속 비율을 가정한 이론 모델과도 UVLF가 일치하며, 이는 감소된 먼지 감소가 기대되는 항성 형성률 감소를 상쇄할 수 있음을 시사한다.
• 셰클러 및 이중 거듭제곱함수(DPL) 함수 모두 데이터에 통계적으로 구분되지 않는 적합을 제공하지만, 밝은 끝부분 정규화는 이들 사이의 구분 능력을 제한한다.
• 완전성은 M_UV ≈ -21.5에서 50% 이하로 떨어지며, 이는 UVLF가 M_UV ≃ -23까지는 신뢰 가능하나 더 흐린 magnitude에서는 상당한 불확실성이 있음을 시사한다.
• 최종 샘플은 SED 피팅과 오염자 선별을 철저히 거친 후 z≳8 후보 31개로, 진짜 고적색편이 은하일 가능성이 58–95%이다.